Não deixe que o capacitor de filtro CC seja a ligação fraca no seu projeto do conversor de potência

Os capacitores de filtro de corrente contínua (CC) são componentes críticos em muitas aplicações, incluindo inversores trifásicos para acionamentos de motores de veículos elétricos (EV), inversores de potência eólicos e fotovoltaicos, acionamentos de motores industriais, carregadores automotivos integrados e fontes de alimentação para equipamentos médicos ou industriais. Manter-se atualizado com os desenvolvimentos mais recentes é importante. Se não for implementado corretamente, os capacitores de filtro CC podem ser uma “ligação fraca” que reduz a confiabilidade e a densidade de energia.

Infelizmente para os projetistas, ao contrário da tecnologia de semicondutores que está avançando a passos rápidos, os avanços na tecnologia de capacitores são lentos e podem ser ignorados. Além deste desafio, várias tecnologias de capacitores estão avançando a passos diferentes: os eletrolíticos de alumínio são uma tecnologia mais madura e evolui mais vagarosamente, enquanto que os capacitores de filme e de cerâmica multicamada (MLCC) estão avançando mais rapidamente. Os capacitores eletrolíticos de alumínio, normalmente, oferecem capacitância maior por unidade de volume e densidades de energia maiores comparados com os capacitores de filme e MLCCs; mas as compensações variam.

Por exemplo, ao trocar comutadores de potência com dispositivos de frequências mais altas — como trocar IGBT com MOSFET ou trocar dispositivos de silício com comutadores de potência de ampla banda proibida (WBG) — pode ser uma boa hora para reconsiderar escolhas passadas para capacitores de filtro CC. Cada tecnologia de capacitores de filtro CC oferece um conjunto único de recursos (Figura 1).

Figura 1: comparação do capacitor de filtro CC mostrando a tensão vs capacitância para as principais tecnologias. Os capacitores CeraLink® da TDK são MLCCs otimizados para aplicações de filtro CC. (Fonte da imagem: TDK Corporation)

Os eletrolíticos de alumínio são os capacitores mais comuns para filtro CC. Eles oferecem uma combinação de alta densidade de energia e custo baixo. São muitas vezes utilizados para acionamento de motores industriais, fontes de alimentação ininterrupta (UPS) e uma variedade de aplicações de consumo, comerciais e industriais. Contudo, a duração relativamente curta e baixa frequência de operação, podem excluir os eletrolíticos de serem considerados em aplicações mais exigentes.

Os capacitores de filme são, muitas vezes, encontrados como o elemento de filtro CC em aplicações mais exigentes, como em acionamentos de tração EV. Os capacitores de filme possuem maior confiabilidade, alta capacidade de condução de corrente, resistência série equivalente (ESR) menor e podem ser usados a frequências maiores comparados com os eletrolíticos. Mas, como os eletrolíticos, os capacitores de filme possuem temperaturas baixas de operação com cerca de 105 graus Celsius (°C).

Os MLCCs apresentam uma terceira possibilidade. Estes capacitores possuem um dimensionamento de corrente eficaz (rms) e podem resistir a temperaturas maiores do que outros capacitores. A desvantagem é que pode precisar de uma quantidade grande de MLCCs para uma determinada densidade de energia, tornando um desafio implementar um layout de capacitores que garanta uma distribuição igual de corrente. Além disso, pode haver problemas de confiabilidade associados com os MLCCs; o material cerâmico do dielétrico é rígido e pode trincar devido às tensões térmicas e mecânicas, criando um curto-circuito entre os terminais.

Parece que a tecnologia de capacitor “perfeito” para todas as aplicações de filtro CC não existe. Para chegar a melhor solução para um determinado projeto, você precisa revisar os últimos avanços tecnológicos e desenvolvimentos de produtos. Então, vamos considerar algumas das compensações e recursos dos tipos de dispositivos representativos, incluindo o eletrolítico de alumínio da Cornell Dubilier Electronics, de filme da KEMET e MLCCs da TDK Corporation.

Eletrolíticos para projetos com ondulação alta

Para aplicações com correntes de ondulação alta, você pode usar a série 381LR da Cornell Dubilier Electronics que são dimensionados para 200 a 450 Vcc e 56 a 2.200 microfarads (µF), e podem lidar com pelo menos 25 % a mais de corrente de ondulação comparados com os eletrolíticos de encaixe padrões de 105 °C (Figura 2). Avanços recentes nas formulações do eletrólito são os segredos para baixar a ESR que dá a estes capacitores sua capacidade de corrente de ondulação. Isto significa que poucos capacitores são necessários nos acionamentos de motores, fontes de alimentação ininterrupta (UPS) e outras aplicações com alta corrente de ondulação.

Figura 2: os capacitores eletrolíticos de alumínio 381LR são dimensionados para 200 a 450 volts CC e 56 a 2.200 µF. (Fonte da imagem: Jeff Shepard, baseado no material fonte da Cornell Dubilier Electronics)

Capacitores de filme para acionamentos de tração automotiva

Se você está projetando sistemas para ambientes severos como os acionamentos de tração automotiva, os capacitores de filme para filtro CC C4AK da KEMET com uma vida útil de 4.000 horas a 125 °C e 1.000 horas a 135 °C são uma boa opção (Figura 3). Concebidos para projetos de sistemas compactos, estes dispositivos têm um formato de caixa radial para montagem na placa de circuito impresso com um perfil baixo, ainda permitem o uso de menos capacitores em paralelo para lidar com as correntes de ondulação e de pico.

Figura 3: o capacitor de filme série C4AK para filtro CC da KEMET tem uma vida útil de 4.000 horas a 125 °C e 1.000 horas a 135 °C. (Fonte da imagem: KEMET)

Os capacitores de filtro CC C4AK são projetados para uso em alta frequência, conversores de potência para sistema EV de alta corrente, inversores de célula combustível e fotovoltaica, sistemas de armazenamento de energia, transferência de energia sem fio e outras aplicações industriais.

MLCCs para semicondutores WBG rápidos

Ao usar os WBGs, a família CeraLink FA (conjunto flexível) da TDK Corporation pode proporcionar uma solução adequada. A família inclui valores de capacitância de 0,25 µF até 10 µF e tensões nominais entre 500 e 900 volts CC. Por exemplo, o B58035U9255M001 está dimensionado para 2,5 µF e 900 volts (Figura 4). Os vários dispositivos na família CeraLink estão otimizados para uso como capacitores de filtro CC, com recursos que incluem:

  • Densidade de capacitância de 2 a 5 µF por centímetros cúbicos (cm³)
  • Baixa autoindutância de 2,5 a 4 nH
  • Capacidade de ser colocado muito perto do dispositivo de potência semicondutor com funcionamento até 150 °C permissível (por um tempo limitado)
  • Sem limitação na taxa de inclinação da tensão (dV/dt)

Figura 4: o B58035U9255M001 é parte da família CeraLink FA da TDK Corporation, uma pilha MLCC de 2,5 µF e 900 volts. (Fonte da imagem: TDK Corporation)

Os capacitores da família FA têm largura de 9,1 milímetros (mm) por 7,4 mm de altura e estão disponíveis em comprimentos de 6,3 mm, 9,3 mm e 30,3 mm. Eles apresentam uma capacidade da corrente de ondulação de até 47 amperes (A) rms.

Conclusão

Especificar um capacitor de filtro CC é uma tarefa importante para projetar conversores de potência. Conforme mostrado, há uma ampla variedade de opções possíveis, que estão sujeitas a mudanças. Fazer um má seleção pode resultar num conversor de potência que não atenda as expectativas ou um que seja muito caro. Para evitar fazer uma má escolha, você precisa manter-se atualizado sobre os desenvolvimentos mais recentes nos produtos e tecnologias de capacitores para filtro CC.

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Jeff has been writing about power electronics, electronic components, and other technology topics for over 30 years. He started writing about power electronics as a Senior Editor at EETimes. He subsequently founded Powertechniques, a power electronics design magazine, and later founded Darnell Group, a global power electronics research and publishing firm. Among its activities, Darnell Group published PowerPulse.net, which provided daily news for the global power electronics engineering community. He is the author of a switch-mode power supply text book, titled “Power Supplies,” published by the Reston division of Prentice Hall.

Jeff also co-founded Jeta Power Systems, a maker of high-wattage switching power supplies, which was acquired by Computer Products. Jeff is also an inventor, having his name is on 17 U.S. patents in the fields of thermal energy harvesting and optical metamaterials and is an industry source and frequent speaker on global trends in power electronics. He has a Masters Degree in Quantitative Methods and Mathematics from the University of California.

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